Foi estudado teórica e experimentalmente um sistema fotovoltaico acoplado a cavidades tipo V com rastreamento em torno de um eixo horizontal orientado na direção Norte-Sul. Para certas combinações da relação de concentração e ângulo do vértice, os concentradores tipo V possuem a propriedade de iluminar uniformemente a região absorvedora, característica que os torna particularmente aptos para trabalhar em conjunto com módulos fotovoltaicos. O trabalho analisa três aspectos: a) as propriedades óticas e radiantes das cavidades tipo V; b) a metodologia de projeto das cavidades e c) o desempenho de um protótipo experimental. Com relação às propriedades óticas, os raios incidentes, que atingem o absorvedor (radiação aceita) ou invertem o sentido de sua trajetória e retornam à abertura (radiação rejeitada), são categorizados de acordo com o número de reflexões que experimentam antes de atingir o absorvedor ou a abertura, respectivamente. Os raios assim classificados são denominados modos de reflexão. O estudo do seu comportamento permite derivar soluções analíticas para as propriedades óticas e radiantes da cavidade. Estas soluções possibilitam calcular: 1 ) a função de aceitação angular e a eficiência ótica para radiação direta, aceita e rejeitada; 2) a distribuição espacial e angular da densidade de fluxo na região do absorvedor e 3) os coeficientes de intercâmbio radiante para radiação difusa, aceita e rejeitada. Resultados numéricos para uma variedade de combinações da relação de concentração e ângulo do vértice são apresentados. A metodologia de projeto da cavidade é abordada a partir dos resultados do estudo anterior, que permitem definir o subconjunto de cavidades cuja iluminação na região do absorvedor é uniforme, determinar o intervalo angular para o qual isso se verifica e calcular suas propriedades óticas e radiantes. Essas informações conjuntamente com uma análise de custos permitem definir a cavidade que apresenta as melhores condições operacionais e relação de custo-benefício. Foi construído um protótipo de sistema fotovoltaico e realizados testes instantâneos de caracterização ótica e elétrica de seus componentes e testes operacionais do sistema. Os resultados experimentais confirmam o aumento esperado de 31% na coleção de energia solar, devido ao acompanhamento do movimento do Sol, e mostram um aumento de 51% na produção de energia elétrica diária do sistema com concentração em relação ao sistema sem concentração. O resultado combinado de ambos efeitos é um aumento da ordem de 100% na energia elétrica produzida, com relação a coletores fixos sem concentração. Os procedimentos desenvolvidos para analisar o sistema fotovoltaico permitem, do ponto de vista qualitativo, adquirir uma adequada compreensão dos processos de conversão de energia e, do ponto de vista quantitativo, estimar seu desempenho com boa exatidão. Os resultados teóricos e experimentais deste estudo podem ser de importância no desenvolvimento da engenharia de projeto, construção e teste de sistemas fotovoltaicos de médio e grande porte. / A theoretical and experimental study of a photovoltaic system coupled to V-trough cavities, tracking the sun around one axis1 N-S horizontal, has been undertaken. For certain combinations of concentration ratio and vertex angle, V-trough cavities can uniformly illuminate the flat absorber, property which makes those concentrators particularly suitable to work in conjunction with photovoltaic modules. The work studies three aspects of the problem: a) the optical and radiative properties of the V-trough cavities; b) their design procedure and c) the performance of an experimental prototype. Concerning the first item, the incident light rays are categorized according to the number of reflections undergone before reaching either the absorber (accepted radiation) or the aperture (light rays which experiment a path reversal toward rejection out of the cavity). These are referred to as reflection modes. The analyses of the reflections modes behavior enables to derive closed form analytic solutions for the optical and radiative properties of the V-trough cavities. Then it can be obtained 1) the angular acceptance function and optical efficiency for accepted and rejected beam radiation; 2) the spatial and angular flux distribution on the absorber region and 3) the radiative exchange coefficients for accepted and rejected diffuse radiation. Numerical results for various combinations of concentration ratio and vertex angle, are given. The design procedure of the cavity is closely related to the results derived in the previous study. They allow to identify the subclass of cavities with uniform illumination on the absorber, to determine the angular interval where this property holds and to calculate its optical and radiative properties. Together with a cost analyses it is possible to select the cavities that meet the best operational conditions and cost-benefit relation. A prototype of the photovoltaic system was built and the optical and electrical characteristics of the various system components, were determined through instantaneous tests. Long run, operational tests of the photovoltaic system were also done. The results confirm the expected increase of 31% in collected energy, due to sun tracking, and show a 51% of energy increase due to light concentration. The combined result of tracking and concentration yields an energetic gain of de arder of 100%, when compared with a fixed system with no concentration. The procedures developed to test and evaluate the photovoltaic system provide a good understanding of the energy conversion processes and enable to predict the system performance with good accuracy. The experimental and theoretical resulta of this study are relevant for the development of the engineering of design, building and test of medium and large size photovoltaic systems.

Este trabalho pode ser melhor descrito a partir da sua divisão em duas etapas. Uma predominantemente experimental onde se descreve o projeto, o desenvolvimento e a calibração de um radiômetro espectral destinado à caracterização da distribuição espectral da irradiância solar e outra etapa teórica que permite obter o espectro solar. O radiômetro espectral desenvolvido neste trabalho possui um anel de sombra rotativo, deste modo utiliza-se o mesmo conjunto de sensores na medida das componentes global, direta e difusa da radiação solar. Diferentemente de outros instrumentos que utilizam filtros ópticos de interferência acoplados a fotodiodos de silício, empregou-se no radiômetro diodos emissores de luz (LEDs), como sensores espectrais. Esta escolha baseia-se principalmente no alto custo dos filtros ópticos de boa qualidade e também devido à sua degradação. O radiômetro desenvolvido nesta Dissertação também possui um fotodiodo de silício com resposta espectral ampla (entre 300 e 1100 nm) destinado à medida da irradiância solar total. Na etapa teórica é desenvolvida uma metodologia para caracterização espectral da irradiância solar a partir dos dados obtidos pelo radiômetro espectral para uma atmosfera isenta de nuvens. Estes dados são utilizados na determinação da quantidade de água precipitável e espessura óptica de aerossóis. Estes parâmetros atmosféricos, além da coluna total de ozônio, associados a variáveis meteorológicas locais (pressão atmosférica, umidade relativa e albedo da superfície), variáveis de tempo (hora e data) e variáveis de espaço (latitude, longitude, altitude) são utilizados como dados de entrada em um programa computacional escrito em linguagem FORTRAN 77 baseado no modelo SMARTS2 (Simple Model of the Atmospheric Radiative Transfer of Sunshine). O programa computacional é capaz de modelar a irradiância solar direta, difusa e global incidente sobre superfícies planas ou inclinadas. O modelo paramétrico cobre o segmento entre 280 até 4000 nm, com resolução espectral de 0,5 nm entre 280-400 nm, 1 nm entre 400-1700 nm e 5 nm entre 1705-4000 nm. / For a better understanding, this work is divided into two sections. The first one, predominately experimental, is related to the design, development and calibration of a radiometer used for spectral solar irradiance measurements. The other section, theoretical, is devoted to obtain the solar spectrum from the atmospheric parameters. The built spectral radiometer is provided with a rotating shadow-band, so the global, beam and diffuse solar irradiance components can be measured with the same set of sensors. Differently from other instruments, this radiometer utilizes light-emitting diodes (LEDs) as spectrally selective sensors, instead of interference filters and photodiodes. This option is favored by the high prices and quality degradation of the interference filters. The radiometer developed in this dissertation also employs a broadband (response between 300-1100 nm) silicon photodiode to detect the global solar irradiance. The methodology used to reconstruct the spectral solar irradiance of a cloudless sky from the radiometer data is explained in the theoretical section of this work. The data from the spectral radiometer are used for the determination of precipitable water and aerosol optical depth. These atmospheric parameters and the ozone optical depth, together with meteorological variables (atmospheric pressure, relative humidity and local albedo), geographic variables (latitude, longitude and altitude), time and date are used as input data for a computer program developed in FORTRAN 77 based on the SMARTS2 (Simple Model of the Atmospheric Radiative Transfer of Sunshine) model. This computer program allows the determination of the global, beam and diffuse solar irradiance on horizontal or tilted planes. The model covers the wavelength range from 280 nm to 4020 nm. The achieved resolution is 0,5 nm between 280 nm and 400 nm, 1 nm between 400 nm and 1700 nm and 5 nm between 1705 nm and 4000 nm. The results of the methodology are compared to the experimental values obtained for the global-horizontal irradiance in order to validate the spectral irradiance predictions.

Este trabalho apresenta uma avaliação de possibilidade técnica e viabilidade econômica de uso de energia solar como alternativa à energia elétrica no aquecimento de banho de neutralização na decapagem de fio máquina de indústria siderúrgica. O trabalho contém o dimensionamento de um sistema utilizando 35 conjuntos de coletores solares de tubo evacuado, totalizando uma área de absorção de 84 m2, além de um tanque térmico, tubulações e acessórios necessários. Para a simulação da economia de energia possível, inicialmente foram obtidos valores de referência de irradiação total e temperatura ambiente a cada hora do ano, inserindo-se a irradiação média mensal e a longitude e latitude do local de interesse no software Radiasol (Krenzinger e Bugs, 2010), desenvolvido na UFRGS. Estes dados foram alocados em uma planilha Excel gerando uma tabela com um total de 3760 linhas. Em seguida foram calculados e inseridos sequencialmente, em cada linha da planilha, os valores de área de coleta, eficiência dos coletores, calor absorvido, potência necessária, acúmulo de energia e temperatura da água no tanque térmico. Por último foi totalizada a energia absorvida ao longo do ano e calculada a economia resultante para diversos valores de custo de kWh. A análise econômica indicou uma taxa anual de retorno do investimento entre 3,19% e 24,7% quando considerado um período de 10 anos. Ressalta-se que além dos fatores técnico e econômico, a viabilização de projetos utilizando energia solar também contribui para disseminar uma nova cultura de aproveitamento energético com benefícios ambientais, na medida em que reduz a emissão de gases efeito estufa, que em grande parte são associados a atividade industrial. Este benefício ambiental resulta na melhoria da imagem da empresa. / This work presents a study of technical and economic viability of using solar energy for heating water of the neutralizations tank in the pickling process of wire rod in one steel mill when compared to the use of electric energy. The work contains the design of a system of 35 sets of evacuated solar collectors, with 84 m2 of absorption area besides the necessary thermic tank, pipes and accessories. The economic evaluation resulted in a return rate between 3,19% and 24,7% when considering 10 years of operation. To simulate the possible saving of energy, the first step was to obtain reference values for total irradiation and local temperature filling in the monthly irradiation average, the longitude and latitude of the site of the project, in the software Radiasol (Krenzinger e Bugs, 2010), developed in UFRGS (Universidade Federal do Rio Grande do Sul). These data were inserted in an Excel spreadsheet generating a table with 3760 lines. After that, in each line of the table, the values of collecting area, collector efficiency, absorbed heat, energy demand, energy build up and temperature in the thermal tank were calculated and inserted. Then, the annual absorbed energy and energy saving were calculated for several values of kWh. The economic analysis indicates an annual return rate between 3,19% and 24,7%, when considered a 10 years period. It is important to highlight that, beyond the technical and economic factors, the implementation of solar energy projects also contributes to disseminate a new culture of energy use with environmental benefits. Among these benefits is the reductions of greenhouse gases that are associated with the industrial activity. This environmental benefit improves the company image.

Apresenta-se uma tese de doutorado envolvendo uma análise numérica e experimental dos campos de temperatura e velocidade em armazenadores térmicos via calor sensível. A abordagem experimental é desenvolvida em um tanque cilíndrico vertical de aço inoxidável, com razão de aspecto (H/D) de aproximadamente 1,4. Mediu-se de forma sistemática a temperatura em 28 posições no interior do reservatório e 14 ao longo da sua parede. Os sensores utilizados são termopares, sendo a armazenagem e o processamento dos dados realizados em um sistema de aquisição de dados HP75000, associado a um computador. A abordagem numérica é realizada a partir de um modelo bidimensional, transiente, não linear, em coordenadas cilíndricas, utilizando o método dos volumes finitos, tanto em situações de escoamento em forma laminar quanto turbulenta. São apresentados resultados numéricos e experimentais. A validação experimental do modelo numérico é realizada em duas fases. Na primeira delas, chamada de resfriamento rápido, são utilizadas condições de contorno de isolamento perfeito no topo e base do reservatório, enquanto que a parede lateral, sem isolamento térmico, recebe condição de primeira espécie, fornecida pela leitura dos termopares. Na segunda etapa, resfriamento lento, o domínio computacional é aumentado de forma a incluir o isolamento térmico das paredes e demais componentes estruturais do reservatório, que passam a receber a condição de contorno de terceira espécie, mais realista. Também é implementada a condição de convecção mista decorrente da convecção natural e da convecção forçada, imposta pelos fluxos de entrada e saída no reservatório. Uma vez que neste caso haverá a ocorrência de zonas turbulentas e zonas relaminarizadas no interior do reservatório, um modelo de turbulência para baixos números de Reynolds é usado. Os resultados desta simulação também são validados com dados experimentais, os quais são obtidos com a implementação de um circuito hidráulico ao reservatório utilizado na análise da convecção natural. Como aplicação simula-se o resfriamento de tanques com diversas razões de aspecto e isolamentos térmicos. Os campos de temperatura obtidos com estas simulações são utilizados de duas maneiras. Na primeira delas é obtido o número de Nusselt médio em função da diferença de temperatura média do reservatório e a temperatura ambiente. O número de Nusselt é correlacionado em função da razão de aspecto, perdas térmicas para o ambiente e volume do reservatório. Na segunda etapa, estes resultados são comparados com os obtidos com os modelos simplificados de Múltiplos Nós, freqüentes na literatura aplicada no âmbito da energia solar. / This doctoral thesis presents a numerical and experimental analysis of the temperature and velocity fields in sensible heat storage tanks. The experimental analysis utilizes a cylindrical vertical stainless steel water tank, with aspect ratio (H/D) of 1.4. The temperatures at 28 points inside the reservoir were systematically registered as well as other 14 along its walls. Thermocouples were employed to sense these temperatures, being their output voltages measured by a computer controlled data acquisition system and recorded to the computer hard disk. The numerical analysis is made through a bidimensional, transient, non-linear model, in cylindrical coordinates. The finite volumes method was employed in laminar as well as in turbulent flow conditions. Both numerical and experimental results are presented in this work. The numeric model is experimentally validated in two stages. At the first one, named fast cooling, the boundary conditions are of perfect thermal insulation at the tank top and bottom, while its non-insulated vertical walls are submitted to a prescribed condition, provided by the temperature readings. At the second stage, named slow cooling, the computational domain is enlarged in order to include the walls insulation and other structural components of the tank, submitted then to the more realistic boundary condition of third kind. The mixed convection condition, originated from the natural and forced convection imposed by inlet and outlet flows, is also implemented. Because in this case there will be turbulent and relaminarized regions inside the tank, a model for low Reynolds number was employed. The results from this simulation were also validated with experimental data, obtained from the implementation of an external hydraulic circuit connected to the tank. As an example of application, the cooling of tanks with several aspect ratios and different types of insulation were simulated. The temperature fields obtained from these simulations were used in two ways. In the first one is obtained the average Nusselt number in function of the difference between the average temperature inside the tank and the ambient temperature. These results are correlated to the aspect ratio, thermal losses to the ambient and tank volume. To conclude, these results were compared to those obtained with Multiple Node models, commonly applied at the solar energy field.

Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede de distribuição de energia elétrica estão sendo muito estudados, pois representam uma alternativa tecnicamente confiável para incrementar a contribuição das fontes renováveis na matriz elétrica. Portanto é importante conhecer o comportamento desses sistemas e o seu impacto sobre a rede elétrica. Esta dissertação apresenta uma análise da distribuição de tensões em uma instalação fotovoltaica de 4800 WP conectada à rede de distribuição de energia elétrica. A instalação é dividida em três subsistemas onde cada um possui 16 módulos de células de silício monocristalino de 100 Wp de potência nominal e 24 V de tensão nominal organizados em dois painéis de oito módulos em série, conectados dois a dois em paralelo e conversores CC/CA de potência nominal e máxima de, respectivamente, 1000 W e 1100 W na saída. O comportamento da instalação é estudado a partir do monitoramento das tensões dos módulos de um subsistema, das tensões e correntes dos seis painéis que compõem a instalação, da temperatura ambiente, da temperatura dos módulos, da temperatura dos conversores CC/CA e da irradiância no plano do gerador fotovoltaico. A análise abrange diferentes situações de funcionamento da instalação, tanto em condições normais de operação da mesma como em situações especiais, quando algumas células de módulos estão sombreadas e quando o sistema está em curto circuito ou em circuito aberto. Os módulos sombreados apresentam valores de tensão inferiores aos dos módulos que não foram sombreados conforme o número de células sombreadas e principalmente como estão conectados os diodos de bypass. Os módulos apresentam produções diferentes em baixos níveis de irradiância ou em diferentes temperaturas. Com a utilização de um programa de simulação foi possível analisar o comportamento de uma associação de módulos fotovoltaicos, considerando efeitos de temperatura, irradiância e possíveis diferenças entre os módulos que compõem a instalação. Os resultados da simulação apresentaram concordância com a experimentação. Na dissertação são apresentados os métodos de aquisição de dados, a análise dos resultados experimentais, e a descrição dos resultados obtidos a partir da simulação computacional. / Grid-connected photovoltaic plants are being studied because they represent a confident alternative for the increase of the renewable energy sources contribution to the electric matrix. Therefore it is important to know the behavior of these plants and their impact on the electric grid. This work presents an analysis of the distribution of voltages in a 4800 WP grid-connected photovoltaic plant. This plant was divided in three subsystems. Each subsystem is constituted by two strings of 100 Wp / 24 V modules with mono-crystalline silicon cells. These arrays feed three grid commuted single phase inverters, with 1100 W maximum power each, thus characterizing a modular plant. The system for data monitoring registers the operational voltages of the modules in a subsystem, the operational voltages and currents of the six strings of the plant, the solar irradiance incident at the generator plane, and temperatures of the ambient air, of a PV module and of the inverters. The analysis includes different operational situations of the plant and special situations as the shadowing of cells in the modules, system in short circuit and open circuit condition. The modules shadowed present inferior values of voltage to the modules that was not shadowed. This result depends on the number of shadowed cells and mainly if the diodes of bypass are connected. The modules present different performance under low solar irradiances or in different temperatures. Finally, comparisons between experimental and simulated values were performed using a simulation software, considering the effect of the temperature, solar irradiance and possible differences between the modules that compose the installation. These comparisons show a very good agreement. The methodology for data acquisition are also presented, as well as the analysis of the experimental results and the description of the computational obtained results.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2006. / Submitted by Kelly Marques (pereira.kelly@gmail.com) on 2009-11-25T17:15:35Z No. of bitstreams: 1 2006_RafaelAmaralShayani.pdf: 13146221 bytes, checksum: 00988261a6f0827c6d2b5a1296049405 (MD5) / Approved for entry into archive by Guimaraes Jacqueline(jacqueline.guimaraes@bce.unb.br) on 2009-11-26T14:07:35Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2006_RafaelAmaralShayani.pdf: 13146221 bytes, checksum: 00988261a6f0827c6d2b5a1296049405 (MD5) / Made available in DSpace on 2009-11-26T14:07:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2006_RafaelAmaralShayani.pdf: 13146221 bytes, checksum: 00988261a6f0827c6d2b5a1296049405 (MD5) Previous issue date: 2006-07-11 / As fontes renováveis de energia ganham espaço em ritmo acelerado na matriz energética mundial, seja pela escassez dos recursos fósseis, seja pela consciência da humanidade sobre a importância da preservação do meio-ambiente e do desenvolvimento sustentável. A geração de energia fotovoltaica é promissora, entretanto costuma ser considerada como segunda opção devido ao elevado custo e baixo rendimento da conversão fotoelétrica de energia, em torno de 20%. Diversos pesquisadores em todo o mundo estudam células solares de alta eficiência, com valores entre 30% e 50%, porém poucos trabalhos versam sobre o rendimento global do processo de obtenção de energia elétrica através do Sol, onde diversos fatores podem contribuir para melhorar a eficiência do processo. O objetivo geral desse trabalho visa medir o real rendimento de um sistema fotovoltaico isolado utilizando módulos de 32 células, utilizando para isto as instalações do Laboratório de Fontes Alternativas do ENE/UnB, contando com painéis solares policristalinos autoregulados de 14% de rendimento nominal. Como objetivos específicos, o trabalho propõe uma nova metodologia para o cálculo do desempenho energético, além de identificar as perdas e potenciais não aproveitados etapa à etapa, mapeando assim pontos que, corretamente trabalhados, geram mais energia à carga final. O sistema é composto pelo arranjo fotovoltaico auto-regulado, controlador de carregamento, banco de baterias e inversor, e apresentou um rendimento de aproximadamente 50% sobre a energia efetivamente gerada pelos painéis fotovoltaicos. As perdas devido à atenuação da atmosfera, nebulosidade e inclinação do painel chegam à 70% do potencial solar. Diversas sugestões são apresentadas, visando melhorar o rendimento do sistema auto-regulado, como a utilização de cargas de desvio ou de novos sistemas de armazenamento. Uma análise de custos é apresentada, comparando a tarifa da energia solar com a da energia convencional. __________________________________________________________________________________________ ABSTRACT / The subject of energy generation using renewable source is getting special attention nowadays. This is happening due to a more in depth conscience of mankind regarding the importance of the investment in clean energy systems achieving a sustainable development. Additionally the warning that a global shortage will take place in a few decades, caused by the limitation of the fossil fuels, assures that urgent actions need to be done right now. The photovoltaic energy source is a good renewable energy option, but one uses to consider it as just an alternative choice, because its efficiency is about 20% only. There are a lot of researches in order to achieve high efficiency solar cells, that can convert from 30% to 50% of the solar energy, however there are just few studies about the global performance of a PV system, considering all the processes and aspects involving the conversion from solar energy to electrical energy. The global goal of this paper is to measure the real performance of a stand-alone 32 cells modules PV system, using the Alternative Energy Sources Laboratory from ENE/UnB, Brazil. The 14% nominal efficiency self regulating silicon solar panel are used. The specific goal creates a new approach to measure the solar energy potential and the looses, presenting ideas to improve the generation of electricity. The system has a self regulating PV array, charge controller, battery bank and inverter. The real global performance measured is about 50% of the energy that arrives over the solar panel. The atmosphere air mass, cloudiness and array orientation produce 70% of the energy loss. A lot of suggestion are presented in order do improve the global performance of the system, like special loads or a new storage system. An economic study comparing the tariff of the conventional energy and solar energy are presented.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Centro de Desenvolvimento Sustentável, 2010. / Submitted by Allan Wanick Motta (allan_wanick@hotmail.com) on 2011-01-17T17:38:46Z No. of bitstreams: 1 2010_RobertoWagnerLimaPereira.pdf: 3096835 bytes, checksum: c2305570052890fe9ede7a91cec0c412 (MD5) / Rejected by Luanna Maia(luanna@bce.unb.br), reason: on 2011-01-17T18:32:48Z (GMT) / Submitted by Allan Wanick Motta (allan_wanick@hotmail.com) on 2011-01-17T19:14:27Z No. of bitstreams: 1 2010_RobertoWagnerLimaPereira.pdf: 3096835 bytes, checksum: c2305570052890fe9ede7a91cec0c412 (MD5) / Approved for entry into archive by Daniel Ribeiro(daniel@bce.unb.br) on 2011-01-21T01:18:32Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2010_RobertoWagnerLimaPereira.pdf: 3096835 bytes, checksum: c2305570052890fe9ede7a91cec0c412 (MD5) / Made available in DSpace on 2011-01-21T01:18:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2010_RobertoWagnerLimaPereira.pdf: 3096835 bytes, checksum: c2305570052890fe9ede7a91cec0c412 (MD5) / O objetivo desta dissertação é a construção de projeções que identifiquem o potencial de economia de energia elétrica pela disseminação do uso de sistemas de aquecimento solar de água sob a ótica das políticas públicas instituídas. Procura-se comprovar por meio das projeções que os sistemas de aquecimento solar de água são uma alternativa viável a expansão do sistema elétrico brasileiro a longo prazo. A base da pesquisa foi estruturada nos fundamentos do Plano Nacional de Energia PNE 2030, considerando os critérios de evolução do consumo de energia elétrica e a necessidade de expansão do sistema de geração para o seu atendimento. Procurou-se entender a dinâmica do mercado de energia associado ao incremento populacional e econômico, bem como estimar o potencial de mercado para utilização de sistemas alternativos para o aquecimento de água para uso sanitário. Como resultado obteve-se uma economia de energia suficiente para prescindir da construção de novas usinas termoelétricas a carvão mineral previstas no PNE 2030. Concluindo, portanto, sobre a viabilidade econômica, energética, social e ambiental de investimentos no fomento a utilização de sistemas de aquecimento solar de água para uso residencial. _________________________________________________________________________________ ABSTRACT / The objective of this thesis is the construction of projections to identify potential energy saving by the widespread use of solar heating of water from the standpoint of public policies in place. Seeks to prove through the projections that the solar heating of water is a viable alternative to expansion of the Brazilian electrical system in the long term. The basis of the research was structured in the grounds of the National Energy Plan - PNE 2030, considering the evolution of energy consumption and the need for expansion of the generation system for your attendance. We sought to understand the dynamics of market power associated with population and economic growth, and estimate the market potential for the use of alternative systems for heating water for sanitary use. As a result we obtained an energy saving enough to dispense with the construction of new coal plants under mineral PNE 2030. In conclusion, therefore, on the economic viability, energy, social and environmental investments in promoting the use of solar heating of water for residential use.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2010. / Submitted by Jaqueline Ferreira de Souza (jaquefs.braz@gmail.com) on 2011-06-06T21:15:14Z No. of bitstreams: 1 2010_SergioBatistadaSilva.pdf: 3126183 bytes, checksum: fe265e5dcdd89bcdff47d6d4a45591d8 (MD5) / Approved for entry into archive by Jaqueline Ferreira de Souza(jaquefs.braz@gmail.com) on 2011-06-06T21:15:45Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2010_SergioBatistadaSilva.pdf: 3126183 bytes, checksum: fe265e5dcdd89bcdff47d6d4a45591d8 (MD5) / Made available in DSpace on 2011-06-06T21:15:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2010_SergioBatistadaSilva.pdf: 3126183 bytes, checksum: fe265e5dcdd89bcdff47d6d4a45591d8 (MD5) / A falta de eletricidade nas comunidades isoladas da região da Amazônia brasileira torna-se uma das grandes barreiras para o desenvolvimento da região. Atualmente, as principais tecnologias para suprimento energético dessas comunidades são os grupos motoresgeradores (GMGs) a dísel, as baterias e as pilhas. Estas fontes não-renováveis, além de causarem sérios problemas para o meio ambiente e para a saúde pessoal, possuem elevado custo de manutenção e operação. Assim, a busca por soluções que priorizem o uso de tecnologias para suprimento de energia utilizando os recursos naturais como a água e o sol, de grande abundância na Região Amazônica, tornam-se um grande desafio. Esta tese apresenta um estudo para a aplicação de tecnologias de geração solar fotovoltaica (FV) e de células a combustível (CaCs) para suprimento de energia elétrica de forma ininterrupta. O estudo pauta-se em características técnica e de custo de um projeto-piloto instalado em uma área de proteção ambiental, localizado próximo à Ilha do Bananal, no sudoeste do estado do Tocantins, no Brasil. O projeto-piloto utiliza a energia solar FV como fonte primária de energia para produção de eletricidade. A energia excedente é armazenada na forma de hidrogênio produzido por eletrólise da água encontrada localmente e re-convertida em eletricidade por meio de uma CaC nos períodos de baixa ou ausência da radiação solar. Nessa perspectiva, esta tese visa propor o dimensionamento de sistemas híbridos de geração distribuída (SHGDs) constituídos por tecnologias de geração FV e CaC, de forma a otimizar o custo de implantação. Para a simulação e otimização do sistema foi utilizado a ferramenta computacional Hibrid Optimization Model for Electric Renewable (HOMER®) produzido pela National Renewable Energy Laboratory (NREL). Simulações e estudos comparativos são apresentados para diferentes tecnologias e configurações possíveis para atendimento às comunidades isoladas da Amazônia. Os resultados apontam para solução ótima do SHGD FV-CaC-Baterias com redução no custo inicial do projeto em cerca de 60% em relação ao sistema dimensionado apenas. Os custos dos módulos FVs apresentaram-se como maior parcela do SHGD avaliado, registrando valores até 50% do VPL do projeto. _________________________________________________________________________________ ABSTRACT / The lack of electricity in isolated communities in the Brazilian Amazon has become one of the greatest barriers for the development of the region. Currently, the main technologies that provide electricity to these communities are diesel generators, batteries and dry cells. These non-renewable energy sources may pose serious problems to the environment and human health and have high maintenance and operational costs. Therefore, the search for renewable energy sources, such as water and sunlight, which are highly abundant in the region, has become a great challenge. This thesis presents the studies on application of solar photovoltaic (PV) and fuel cell (FC) technologies to supply electric power in an uninterrupted manner. Outlined are the technical and cost issues of a pilot project set up in an environmentally protected area, next to Bananal island, located in the Southwestern region of the state of Tocantins. The pilot project relies on PV solar power as the primary source of energy for the production of electricity. The surplus energy is stored in the form of hydrogen produced by electrolysis of the water supplied locally, which is reconverted into electric power by fuel cells during periods when there is little or no sunlight. In this context, the aim of the study was to propose a sizing of a hybrid distributed generation system (HDGS), comprised of a PV system, FC and batteries, that optimizes implementation and operational costs, as a potential source of energy for isolated communities in the Amazon. The work was carried out with the help of simulation software HOMER (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables) developed by National Renewable Energy Laboratory (NREL). Simulations and a comparative study were carried out of the technologies and potential configurations that meet the needs of these isolated communities. The results showed an optimal solution of HGDS PV-FCbatteries with a reduction in the initial cost of the project in about 60% compared to the sizing system only. The HOMER simulated results also indicated that more than 50% of the costs of the PV–FC–battery HDGS regarded the PV system .

A energia solar e a energia eólica são fontes de energias renováveis com potencial inesgotável e que não liberam contaminantes ao meio ambiente. O uso destas energias em conjunto, explorando a sua complementaridade, pode viabilizar economicamente e permitir um uso confiável deste sistema, denominado sistema híbrido fotovoltaico-eólico, podendo ser um sistema autônomo de geração de energia elétrica. Dependendo das aplicações, o sistema híbrido fotovoltaico-eólico pode apresentar vantagens em comparação ao sistema que utiliza somente uma das fontes de energia solar ou eólica, dito singelo. A elaboração de mapas de complementaridade dos potenciais solar e eólico no Estado do Rio Grande do Sul, permitiria um melhor aproveitamento de sistemas híbridos fotovoltaico-eólico neste Estado do Brasil. O uso desses mapas é de grande valia para a identificação de potenciais locais geográficos para o emprego de sistemas híbridos fotovoltaico-eólico no Estado do Rio Grande do Sul. Através de uma pesquisa dos dados existentes e dos métodos utilizados para estimar a radiação solar e a velocidade dos ventos, obtiveram-se valores das médias trimestrais correspondentes às quatro estações do ano (verão, outono, inverno e primavera) e a média anual, que possibilitaram a elaboração dos mapas de complementaridade dos potenciais solar e eólico para serem utilizados em sistemas híbridos fotovoltaico-eólico no Estado do Rio Grande do Sul para estes períodos. A metodologia utilizada para a obtenção dos dados de mapas da velocidade dos ventos a 10 metros de altura no Estado do Rio Grande do Sul fez uso de um programa de leitura de mapas de velocidade do vento a 50 metros de altura e de rugosidade e, após foi feita a correção para obtenção da velocidade do vento a 10 metros de altura. Os dados referentes à radiação solar horizontal também sofreram uma correção da inclinação, para a obtenção da radiação incidente em uma superfície inclinada, de forma a obter-se o melhor rendimento do módulo fotovoltaico. A conclusão obtida é que existem regiões no Estado do Rio Grande do Sul que apresentam um potencial energético fotovoltaico-eólico que viabilizariam o uso dos sistemas híbridos fotovoltaico-eólico, possibilitando uma opção a mais para o uso de energias alternativas.

Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede de distribuição de energia elétrica estão sendo muito estudados, pois representam uma alternativa tecnicamente confiável para incrementar a contribuição das fontes renováveis na matriz elétrica. Portanto é importante conhecer o comportamento desses sistemas e o seu impacto sobre a rede elétrica. Esta dissertação apresenta uma análise da distribuição de tensões em uma instalação fotovoltaica de 4800 WP conectada à rede de distribuição de energia elétrica. A instalação é dividida em três subsistemas onde cada um possui 16 módulos de células de silício monocristalino de 100 Wp de potência nominal e 24 V de tensão nominal organizados em dois painéis de oito módulos em série, conectados dois a dois em paralelo e conversores CC/CA de potência nominal e máxima de, respectivamente, 1000 W e 1100 W na saída. O comportamento da instalação é estudado a partir do monitoramento das tensões dos módulos de um subsistema, das tensões e correntes dos seis painéis que compõem a instalação, da temperatura ambiente, da temperatura dos módulos, da temperatura dos conversores CC/CA e da irradiância no plano do gerador fotovoltaico. A análise abrange diferentes situações de funcionamento da instalação, tanto em condições normais de operação da mesma como em situações especiais, quando algumas células de módulos estão sombreadas e quando o sistema está em curto circuito ou em circuito aberto. Os módulos sombreados apresentam valores de tensão inferiores aos dos módulos que não foram sombreados conforme o número de células sombreadas e principalmente como estão conectados os diodos de bypass. Os módulos apresentam produções diferentes em baixos níveis de irradiância ou em diferentes temperaturas. Com a utilização de um programa de simulação foi possível analisar o comportamento de uma associação de módulos fotovoltaicos, considerando efeitos de temperatura, irradiância e possíveis diferenças entre os módulos que compõem a instalação. Os resultados da simulação apresentaram concordância com a experimentação. Na dissertação são apresentados os métodos de aquisição de dados, a análise dos resultados experimentais, e a descrição dos resultados obtidos a partir da simulação computacional. / Grid-connected photovoltaic plants are being studied because they represent a confident alternative for the increase of the renewable energy sources contribution to the electric matrix. Therefore it is important to know the behavior of these plants and their impact on the electric grid. This work presents an analysis of the distribution of voltages in a 4800 WP grid-connected photovoltaic plant. This plant was divided in three subsystems. Each subsystem is constituted by two strings of 100 Wp / 24 V modules with mono-crystalline silicon cells. These arrays feed three grid commuted single phase inverters, with 1100 W maximum power each, thus characterizing a modular plant. The system for data monitoring registers the operational voltages of the modules in a subsystem, the operational voltages and currents of the six strings of the plant, the solar irradiance incident at the generator plane, and temperatures of the ambient air, of a PV module and of the inverters. The analysis includes different operational situations of the plant and special situations as the shadowing of cells in the modules, system in short circuit and open circuit condition. The modules shadowed present inferior values of voltage to the modules that was not shadowed. This result depends on the number of shadowed cells and mainly if the diodes of bypass are connected. The modules present different performance under low solar irradiances or in different temperatures. Finally, comparisons between experimental and simulated values were performed using a simulation software, considering the effect of the temperature, solar irradiance and possible differences between the modules that compose the installation. These comparisons show a very good agreement. The methodology for data acquisition are also presented, as well as the analysis of the experimental results and the description of the computational obtained results.